und Zweckbau - Prof. Dr.-Ing. Franz Wosnitza

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Transcript und Zweckbau - Prof. Dr.-Ing. Franz Wosnitza

Energie-Effizienz
im
Wohn- und Zweckbau
Nutzung gegebener
Einsparpotenziale
Veranstaltung am 9.11.2011
„Energiewende im Kreis Heinsberg“
FH Aachen
University of Applied Sciences
Fachbereich Elektrotechnik
und Informationstechnik
Eupener Straße 70
52066 Aachen
Prof. Dr.-Ing. Franz Wosnitza
Forschungs- und Entwicklungsschwerpunkt
Energiemanagement
Neuorientierung der Energietechnik
Traditionelle Ausrichtung
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Technik, Wirtschaft
Komponenten
Wirkungsgrad, Grenzleistung
hydro-thermisch, zentral
statisch und passiv
Mehrerzeugung
regionaler Umweltschutz
Neue Ausrichtung
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Technik, Wirtschaft, Umwelt
Systeme, Gesamteffizienz
Kleinleistung
regenerativ
dezentral, intelligent
Minderbedarf
globaler Klimaschutz
2
Energieeffizienz im Wohn- und Zweckbau
Ziele der Energietechnik
Voraussetzungen für Energieeffizienz
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Energieeffizienz durch moderne Heizungsund dezentrale Stromerzeugungs-Systeme
Energieeffizienz durch Wärmeschutz
Energieeffizienz durch GebäudeSystemtechnik, Energie-Monitoring
Energiespeicherung
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Erneuerbare Energien
Ökologische und ökonomische Aspekte
Preisentwicklung fossiler Brennstoffe
Einsatz moderner, zukunftsweisender
Heizsysteme
Wärmedämm-Verbundsysteme
3
Woher kommt morgen der Strom?
Wasserkraft
alle Potenziale werden genutzt
19,5 Mrd. kWh
Windkraft
22.000 Onshore-Anlagen, Repowering
Offshore-Anlagen, höhere Kosten
37,5 Mrd. kWh, Vergütung: 4,67 Mrd. €
Biomasse, Biogas
33,5 Mrd. kWh, Vergütung: 4,25 Mrd. €
Photovoltaik/Wasserstofftechnik
12 Mrd. kWh, Vergütung: 8,02 Mrd. €
Geothermie
zzt. zu hohe Anlagekosten
Kernkraft
17 KKW´s, 132 Mrd.kWh
keine gesellschaftliche Akzeptanz
Kernfusion
einer der Hoffnungsträger für nachhaltige
Erzeugung elektrischer Energie
In ca. 4 h liefert die Sonne den
Jahresenergiebedarf der Menschheit
4
Road Map der Bundesregierung – können wir das schaffen?
Sicherstellung der Energieversorgung - Operative Ziele bis 2022
 Senkung der Energiekosten
 Schaffung von 500.000 neuen
Arbeitsplätzen im Energiesektor
 30% Strom aus
erneuerbaren Energien
 Atomausstieg bis 2022
 40% des Stromes aus hocheffizienten Kohlekraftwerken
 Ausbau des Stromnetzes,
umweltverträglich und effizient
 Drosselung des Stromverbrauchs um 11%
 Senkung des fossilen Wärmebedarfs um mindestens 25%
 Verdoppelung der KraftWärme-Kopplung auf 25%
 Emissionsreduktion im Verkehr
um mindestens 20%
5
Kosten der Erneuerbaren Energie-Einspeisung nach EEG
Entwicklung des Aufkommens durch die Belastung der Strompreise aus gesetzlichen
Abgaben und Steuern in Mrd. Euro
rote Balken: Stromsteuer
grüner Balken: Konzessionsabgabe
blaue Balken: Kraft-Wärme-Kopplung
grauer Balken: EEG-Vergütungen
Quelle: Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft e.V.
6
1. Pfeiler der Energieeffizienz - Moderne Heizungssysteme
Einsparpotenzial  20%
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Neueste Generation von Brennwertkesseln
de facto Standard, Nutzung des oberen Heizwertes
Familie, vier Personen, Reihenhaus: 20.000 kWh/a
Gaskosten ca. 0,05€/kWh
Brennwerttherme: Einsparung ca. 11%,
also 2.200 kWh
Kosteneinsparung : ca. 110 €/a
mit Öl-Brennwerttherme und Heizöl Extra Leicht:
Energieeinsparung ca. 6%
7
Solarthermische Heizanlagen Sonne als unerschöpfliche Energiequelle
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CO2-Bilanz:
Solaranlagen mit Heizung
20 bis 30 % Einsparpotenzial
ca. 350 bis 500 Liter
Öleinsparung pro Jahr
1.000 kg CO2-Einsparung
Ökonomie:
Heizen relativ teuer bei
Raumheizungs-Unterstützung
bessere Fenster
erhöhte Wärmedämmung
Wasserspar-Armaturen
Lange Amortisationszeiten
Warmwasserbereitung
wirtschaftlich
8
Holzpellet-Heizung - Natur belassenes Restholz
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Sägemehl oder Hobelspäne
ohne Bindemittel mit
Druckverdichtung
Brennerschale,
Heizstab, Heißluftgebläse
Holzgasgemisch-Zündung
CO2-Bilanz:
CO2-neutral
5 t/a Einsparung gegenüber
konventioneller Heizung
Ökonomie:
Höhere Anschaffungskosten
Pellet-Preise unabhängig
vom Gas/Ölpreis
Geringere Betriebskosten
Lagerraum notwendig
Einsparpotenzial: 600€/a bei
30.000 kWh Heizenergiebedarf
9
Mikro-Blockheizkraftwerk - Strom und Wärme in Einem
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Kraft-Wärme-Kopplung (KWK)
Verbrennungsmotor =
Generator + Abwärmenutzung
Diesel, Heizöl, Gas,
Biogas, Biodiesel,
Rapsöl, Holz-Pellets
CO2-Bilanz:
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40% PrimärenergieEinsparung
Wirkungsgrad ca. 90 %
CO2-Reduzierung größer
als bei Solaranlagen
Temperaturen bis 600C,
besser als Wärmepumpe
keine Fußbodenheizung
notwendig
Ökonomie:
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Höhere Anschaffungskosten,
geringere Betriebskosten
BHKW günstiger als Solaranlage
Schallproblematik
Investition eines Mikro-BHKW´s rechnet sich,
wenn die Laufzeiten stimmen und wenn Investor
und Nutzer des erzeugten Stromes identisch sind
10
Technische Daten ecopower – Mikro-BHKW
ecopower e3.0
ecopower e4.7
Anwendungsbereich
Ein-/Mehrfamilienhaus, Kleingewerbe Gewerbebetrieb, Behörden
bis 45.000 kWh Wärmebedarf/Jahr
ab 45.000 kWh Wärmebedarf/Jahr
Brennstoff
Geräuschniveau
Motor
Erdgas, Flüssiggas
<50 dbA in 2m Abstand
Gas-Otto-Motor 4-TaktHubkolbenmotor
Erdgas, Flüssiggas
<56 dbA in 2m Abstand
Gas-Otto-Motor 4-TaktHubkolbenmotor
Hubraum
Drehzahlbereich
Emissionswerte NOx
Emissionswerte CO
elektrische Leistung (Strom)
272 cm³
1.200-2.400 U/min
50 (mg/m3)
115 (mg/m3
modulierend von
1,3-3,0 kW (Erdgas);
1,4-3,0 kW (Flüssiggas)
272 cm³
1.200-3.600 U/min
50 (mg/m3)
115 (mg/m3
modulierend von
1,3-4,7 kW (Erdgas);
1,4-4,7 kW (Flüssiggas)
thermische Leistung (Wärme)
modulierend von 4,0-8,0 kW (Erdgas); modulierend von 4,5-12,5 kW
4,5-9,0 kW (Flüssiggas)
(Erdgas);
4,5-13,8 kW (Flüssiggas)
Gesamtwirkungsgrad
Abmessungen (BxHxT)
Gewicht
Stromanschluss
Zulassungen
ca. 90%
76,0 x 108,0 x 137,0 cm
395 kg
3×400V, 50 Hz
CE-Zertifizierung (PIN 0063AU3290)
ca. 90%
76,0 x 108,0 x 137,0 cm
395 kg
3×400V, 50 Hz
CE-Zertifizierung (PIN 0063AU3290)
BAFA-Förderung
(derzeit auf Eis gelegt)
max. 4.650 €,
Umweltbonus 300 €
max. 6.742,50 €,
Umweltbonus 470 €
Preis: 20.000,-€ zuzüglich Installationskosten
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Stirling-Motor - Wiederentdeckung eines alten Onkels
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Ältestes Wärmekraftmaschinen-Prinzip,
besonders geeignet für Blockheizkraftwerke
periodisch wirkender geschlossener Kreisprozess
Umwandlung von indirekter Wärme in mechanische Energie
Solarantrieb möglich, extrem geräuscharm
Förderung aller KWK-Maschinen durch das EEG
Einsatz verschiedener Brennstoffe
EEX-Börse Leipzig: zzt. 5,11 ct/kWh
Stirling-Motor: 1 kWel, 6 kWth,
Gesamtwirkungsgrad: 96 %, (Hs) / 107 % (Hi)
Spitzenlastkessel: (6-20) kW
Nutzungsgrad 98 % (Hs) / 109 % (Hi)
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
Mikro-KWK Vitotwin 300-W
Spitzenlastkessel
Wärmetauscherflächen aus Edelstahl
Luftverteilerventil
Ringbrenner
Stirling-Motor
Regelung
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Wärmepumpe - Heizwärme aus der Erde
Transformation von Wärme niedriger Temperatur in Wärme hoher Temperatur
Wärmepumpen entziehen gespeicherte Erdwärme und geben diese unter
Verwendung mechanischer Antriebsenergie an den Heizkreislauf ab
Geschlossener Kreisprozess
(Verdampfen, Komprimieren,
Verflüssigen, Expandieren)
A: Luftwärme-Kollektoren (ohne Bedeutung)
B: Grundwasser-Wärmepumpe (offenes System)
C1: Erdwärme-Sonde (>100m Tiefenbohrung)
C2: Erdwärme-Kollektor (geringer Wirkungsgrad)
CO2-Bilanz:
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bei 20.000 kWh Jahresenergieverbrauch
Einsparung von ca. 300 kg CO2
Wirkungsgrad deutscher Kraftwerke von 36 %
Jahresarbeitszahlen zwischen 3,5 und 4
Wirkungsgrad von Wärmepumpen bezogen
auf die Primärenergie: (120-140) %.
Ökonomie:
Einsparung gegenüber Gasheizung bis zu 450 €/a
ca. 50 % der Betriebskosten einer Gastherme
im Vergleich deutlich höhere Investitionskosten hohe Baukosten
13
Physikalisches Prinzip der Wärmepumpe
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Photovoltaik- und Klein-Windkraftanlagen –
Energieversorgung ohne Sorgen?
Energieträger
Braunkohle
Steinkohle
Kernenergie
Erdgas
Mineralöl
Windkraft
Wasserkraft
Biomasse
Photovoltaik
Geothermie
Übrige Energieträger
Anteil an der Bruttostromerzeugung 2010
23,7%
18,7%
22,4%
13,9%
1,2%
6,0%
4,2%
4,6%
1,9%
0,0031%
2,4%
Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien Wind und Sonne
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so genannte dargebotsabhängige Energien
Keine Grundlastdeckung, sondern ausschließlich Spitzenlastdeckung
Windlast:
ca. 2000 h/a = 22% Jahresverfügbarkeit
Sonnenenergie: ca. 800 h/a = 9% Jahresverfügbarkeit
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Kleinwindkraftanlagen – Windenergie für jeden nutzbar
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Kosten: >3000 €/kWpeak
ohne Fundament und Montagekosten
Anlagenleistung: (0,4-30)kW
Wirtschaftlichkeit: (200-400)kWh/m2
Netzvergütung: 9,2ct/kWh (5a)
Rotorfläche: 10kW=(30-55)m2
Mindest-Windgeschwindigkeit: 7m/s
Nenn-Auslegung: (15-20)m/s
doppelte Windgeschwindigkeit =
achtfache Leistung
Höhe der Anlage: ≥20m
geringe Bodenrauhigkeit = hoher Ertrag
Blitzschutz extrem wichtig
Schallemissionen ≤45dB (WHO)
(5-10)dB über Ruhelärmpegel
Ausführungen:
horizontale Achse (Wirkungsgrad)
vertikale Achse (Darrieus, Savonius)
Anlagen zur Netzeinspeisung
Anlagen für den Inselbetrieb (Batterie)
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Nutzung der Sonnenenergie zur Stromerzeugung
Drei Beweggründe für den Einstieg in die PV-Installation
mit Anschluss an das öffentliche Stromnetz, wenn:
1)
eine Dachsanierung ansteht
2)
eine Heizungssanierung geplant ist
3)
CO2 eingespart werden soll
• Dachfläche :
ausreichende Statik
Standort Richtung Süden (südost/südwest)
schattenfrei
Dachneigung (10-40) Grad
gute Hinterlüftung erhöht Energieertrag
• Solargenerator: 5 kWp Privathaushalt-PV-Anlage: Produktion von ca. 4000kWh/a
Halterungen, Kabel mit Steckern, Wechselrichter, geeichter Stromzähler
• Lebensdauer : >20 Jahre bei einer Leistungseinbuße von etwa 20%
• Einspeisevergütung nach EEG:
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PV-Modul-Techniken - Kein Glaubenskrieg
Amorphe Si-PV-Module
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zukunftsfähig
Wirkungsgrad ca. 10%
hoher Ertrag bei diffusem Licht
geringe Herstellungskosten
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Dünnschicht-Module
CdTe-Dünnschicht
umstritten
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Polykristalline PV-Module
wenig Si - umweltfreundlich
Wirkungsgrad ca. 13%
guter Wattpreis
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Monokristalline PV-Module
teure Herstellung
hoher Wirkungsgrad, ca. 15%
lange Betriebszeiten
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Brennstoffzelle - Weg aus der Energiekrise?
Energie-Umwandlungsprinzip
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elektrochemische Umsetzung der
Brennstoffe (H2; CO) und Sauerstoff
(O2) direkt zu Strom und Wasser
Gasmotor, ohne Umweg über Wärme
und mechanische Energie
zwei Elektroden, Anode und Kathode
Trennung durch gasundurchlässigen,
jedoch Ionen leitenden Elektrolyten
Wasserstoff-Moleküle spalten sich in
Elektronen und Ionen (H+) auf
positiv geladen H+-Ionen wandern von
der Anode zur Kathode und negativ
geladene OH-- Ionen wandern von der
Kathode zur Anode
Reaktion der H+-Ionen mit den OH-Ionen an den Elektroden
Ausbildung von Plus- und Minuspol
(Kathode/Anode)
Bildung von Wasser bzw. Wasserdampf
an der Kathode.
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2. Pfeiler der Energieeffizienz - Wärmedämm-Verbundsysteme
Einsparpotenzial  65%
Nachträglicher Wärmeschutz
in der Altbausanierung
•
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Alte Häuser sind Energieverschwender
Energieeinsparverordnung (EnEV) für
Neubauten:
jährlicher Heizwärmebedarf (40-80)kWh/m2a
entspricht Ölverbrauch von (4-8) l/m2
(1 Liter Heizöl entspricht Energie von 10 kWh)
•
Energiebedarf bei Altbauten: ca. 200 kWh/m2a
•
3 Wärmedämm-Maßnahmen:
1. Dach
2. Außenwände
3. Keller
•
Kosten der Außenwanddämmung mit einem
Wärmedämm-Verbundsystem:
Gesamtkosten von ca. 130 bis 160 €/m2
Fassadenfläche
•
Verringerung des Energieverbrauchs:
ca. 12 l/m2
Einsparpotenzial liegt bei
70 % der Heizenergie
Amortisationszeiten liegen bei
ca. 10 – 15 Jahre!
20
Wärmeschutz-Berechnung und U-Wert –
für den Bauherrn verständlich gemacht
•
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Flut von Begriffen und Formeln  Reduktion auf das Wesentliche für Laien
Wärmeleitfähigkeit ; Wärmedurchlasswiderstand R; Wärmeübergangskoeffizient ;
Wärmedurchgangswiderstand RT ; Wärmedurchgangskoeffizient U-Wert
Wichtigste Wärmeschutz-Kennzahl eines Bauteils ist der U-Wert:
Wärmedurchgangskoeffizient, (früher: Wärmedurchlässigkeit oder k-Wert)
Diejenige Wärmemenge in kWh, die pro Stunde durch eine Bauteilfläche von 100m²
transportiert wird, wenn zwischen Innen- und Außenwand ein Temperaturunterschied
von 100C besteht! Je kleiner der U-Wert, desto besser die Dämmung!
Bauteil
Dach
Beispiel
sehr schlecht
≥ 1,00
Keine oder
maximal 4 cm
Zwischensparrendämmung
schlecht
0,60
6 bis 10 cm
Zwischensparrendämmung
Massivwand
Beispiel
≥1,50
24 cm
Vollziegelmauerwerk
mit Putz
0,80
36,5 cm
Leichthochlochziegelmauerwerk
mit Putz
Fenster
Beispiel
5,20
Einscheibenglas
3,50
Doppelverglasung
mittel
0,30
12 bis 16 cm
Zwischensparrendämmung
oder 9 cm PURAufsparrendämmumg
0,40
36,5 cm
Porenbeton
600 [kg/m³]
mit Putz,
innen Gipsputz
1,80
Wärmeschutzverglasung
gut
0,22
18 bis 20 cm
Zwischensparrendämmung
oder 12 cm PURAufsparrendämmung
0,30
36,5 cm
Porenbeton
400 [kg/m³]
mit Putz,
innen Gipsputz
1,40
mod. Wärmeschutzverglasung
sehr gut
≤ 0,15
27 bis 30 cm
Zwischensparrendämmung
oder 18 cm PURAufsparrendämmung
≤ 0,20
36,5 cm
Ziegelmauerwerk mit
13 cm PURDämmung
≤ 1,20
Niedrigenergiehausfenster
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Gute Raumluft - Das A & O des Wohlbefindens
Einfache mechanische Lüftungstechnik
Abluftventilator zieht Außenluft unkontrolliert
und ungeheizt durch das Haus
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Höhere mechanische
Lüftungstechnik
Kreuz-Wärmetauscher mit 80%
Wärmerückgewinnung
Rotationswärmetauscher
Inversions-Wärmetauscher
für kleine Leistungen
Erd-Wärmetauscher zur Vorwärmung
der oberirdischen Ansaugluft
Systeme mit unterirdischer
Ansaugung
Energieeffizienz von
Lüftungsanlagen
mit Wärmerückgewinnung
optimierte luftstrombezogene
Leistungsaufnahme
spez. Lüftungswärmebedarf:
hoher Nutzungsgrad der
(6...9) kWh/(m²a) entspricht 1 l/m2a Heizöl
Wärmerückgewinnung
geringe Fugen- und Fensterluftwechselraten
reduzierte Luftwechselraten von 0,3
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Solare Adsorptionskühlung – mit Sonnen-Energie kühlen
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Zuluft
warme Außenluft durchströmt Rotationsluftentfeuchter
langsam rotierendes Rad mit hygroskopischer Substanz (z.B. Silicagel)
Adsorption der Feuchtigkeit mit Adsorptionswärme
warme, trockene Luft durchströmt Rotationswärmetauscher
Abluft kühlt etwas trockene Frischluft
Luft wird befeuchtet
Entstehung von Verdunstungskälte
Zuluft für Gebäude kühlt ab
450C
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•
Abluft
Abluft durchströmt den Wärmetauscher
Verbesserung der Kühlwirkung
Befeuchtung der Abluft
Solarwärme erwärmt
350C
Abluft auf (50-85)°C
Fortluft nimmt im
Rotationswärmetauscher Feuchtigkeit auf
Fortluft trocknet im Rotationsluftentfeuchter Silikagel
800C
300C
220C
400C
250C
200C
350C
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3. Pfeiler der Energieeffizienz - Gebäude-Automation
Einsparpotenzial  15%
KNX/EIB-Gebäudeautomationsbus (EUROPEAN INSTALLATION BUS)
LON-Gebäudeautomationsbus (LOCAL OPERATING NETWORK)
BACnet (BUILDING AUTOMATION AND CONTROL NETWORK)
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Gebäude „intelligenter“ machen
Hersteller unabhängige, dezentrale,
offene Gebäudebus-Systeme für:
Wohnungsbau , Verwaltungsgebäude, Schulen,
Museen, Denkmal geschützte Häuser
bei Nutzungsänderung umprogrammieren,
nicht umverdrahten
Gebäude "kommunizieren" mit den Gewerken:
Beleuchtung, Jalousie, Heizung, Klima, Alarmsystem
verschiedenste Hersteller und Geräte
Einsatzgebiet in Niedrigenergie-Häusern
Steuerung aller technischen Abläufe im Gebäude
Abschaltung aller Beleuchtungen und Verbraucher
Heizungsvorlauftemperatur auf „Standby“
Alarmanlage schaltet sich ein
Steuerung über Festnetztelefon/Handy/Internet
Übertragungsmedien:
Twisted Pair (verdrillte 2-Draht-Schwachstromleitung)
Powerline (Übertragung der Daten über die 230V-Leitung)
Funk und Ethernet
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Beleuchtungstechnik – auch Kleinvieh macht Mist
Kennzeichen moderner
Beleuchtungstechnik
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Raumplanung und Nutzung
Einbeziehung von Tageslicht
Lichtverteilung/Leuchtendesign
Lichtkomfort
Dimmen/Leuchtmittelauswahl
Integration ins
Gebäudemanagement
• standardisierte Ansteuerung
mittels DALI
• Einhaltung einschlägiger
Normen und Verordnungen
Energie- und
Ressourceneinsparung
• effiziente Leuchtmittel
• Qualitäts-EVG-Vorschaltgeräte
• effiziente Leuchten,
angepasst auf
Beleuchtungsaufgabe
• Lichtmanagementsysteme
Lichtausbeute
lm/W
5 - 15
15 - 20
Lebensdauer
1000 h
0,1 - 1,5
0,1 - 2,5
Farbqualität
sehr gut
sehr gut
20 - 25
1,5 - 2,5
sehr gut
KompaktLeuchtstofflampe
40 - 75
8 - 12
gut
Leuchtstofflampe
50 - 100
10 - 40
gut
Lampentyp
Glühlampe
Halogenlampe
Halogenlampe IRbeschichtet
Bemerkungen
günstig
Punktstrahler
Punktstrahler
am besten mit Ø
16 mm und EVG
Leuchtstofflampe
Induktion
Xenonlampe
Kaltkathodenlampe (Neon)
80 - 90
50 - 60
gut
Induktionsgerät
erforderlich
teuer
80 - 100
1-4
sehr gut
10 - 30
20 - 50
gut
Halogen
Metalldampflampe
60 - 100
8 - 16
gut
Punktstrahler,
Hallenbeleuchtung
Quecksilberdampflampe
30 - 60
8 - 12
mittel
für
Außenbeleuchtung
Natrium
Hochdrucklampe
70 - 150
20 - 30
schlecht
für
Außenbeleuchtung
Natrium
Niederdrucklampe
100 - 200
10 - 20
keine
für
Außenbeleuchtung
Leuchtdiode (LED)
10 - 50
35 - 100
gut
kleiner schwacher
Punktstrahler
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Energiemanagement und Energie-Monitoring –
Energiesparen ohne Komforteinbuße?
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Smart Metering - Hintergründe und
Rahmenbedingungen
1.1.2010 für Neubauten
und renovierte Altbauten
kommunikationsfähige elektronische
Messeinrichtung
zeitnahe Informationen zum Energieverbrauch
Strom, Erdgas, Fernwärme und Wasser
Energieverbrauch analysieren und auf
Zeiträume verlagern, in denen Energie
günstiger ist
Entwicklung intelligenter Versorgungsnetze
monatliche, vierteljährliche oder
halbjährliche Abrechnungen
bidirektionale, selbständige Kommunikation
zwischen Zähler - Energieverteilnetz
und zwischen Zähler - Hausgeräte
Es gelten die Bestimmungen des Eichrechts
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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